JP4553521B2 - 粉末熱電材料製造装置及びそれを用いた粉末熱電材料製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーと電気エネルギーとの間の変換を行う熱電モジュールを作製するために使用する粉末熱電材料の製造装置、及び製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電現象とは、ゼーベック現象、ペルチェ現象、トムソン現象の総称であり、この現象を利用した素子を、熱電素子、熱電対、電子冷却素子等という。熱電現象は、元来、異種の金属間で発見された現象であるが、近年、半導体の熱電材料が得られるようになり、金属材料では得られなかった変換効率が得られるようになった。熱電半導体材料を利用した熱電素子は、構造が簡単で取り扱いが容易であり、安定な特性を維持できることから、広範囲にわたる利用が注目されている。特に、局所冷却や室温付近の精密な温度制御が可能であることから、オプトエレクトロニクスや半導体レーザ等の温度調節、また、小型冷蔵庫等への適用に向けて、広く研究開発が進められている。
【０００３】
熱電素子の製造においては、従来、原材料を所望の組成に秤量し、加熱溶解して凝固して固溶体インゴットを作製し、さらに固溶体インゴットを粉末化した後焼結し、それをスライス、ダイシングするという方法が採られている。上記工程において、熱電材料を粉末化する方法としては、固溶体インゴットを粉砕し、ふるいにかけて整粒するという方法がある。しかしながらこの方法によると、凝固した固体材料を粉砕するため、粉末が鱗片状になり、整粒工程においてふるいの目詰まりを生じさせたり、粉末を圧縮する工程において金型への充填率の低下を招いたりしていた。
【０００４】
このような問題を改善するために、熱電素子の製造に球状粉末熱電材料を用いる方法がある。例えば、日本国特許出願公開（特開）平４−２９３２７６号公報には、球状粉末熱電材料の製造方法が掲載されている。従来、球状粉末熱電材料は、所定の原材料を混合及び溶融し、得られた溶湯を金属材料やセラミック材料により作製された回転するディスクに滴下して飛散させるという回転ディスク法（又は遠心噴霧法）と呼ばれる方法により得られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、球状粉末熱電材料を用いて熱電モジュールを作製する場合、粉末の径が小さいほど性能の良いモジュールを実現できることが知られている。そこで、例えば４０μｍ以下の微小な粉末熱電材料を作製するためには、ディスクを高速回転させる必要がある。
【０００６】
ディスクを高速回転させて粉末熱電材料を得るために、ディスクが具備すべき条件がある。すなわち、ディスクには（１）高速回転に耐えるよう軽量且つ十分な機械的強度があること、（２）溶融された熱電材料の高温に耐えうる耐熱性と耐熱衝撃性があり、熱膨張係数が小さいこと（３）熱電材料の溶湯がディスク上で凝固するのを防ぐため、ディスク全体の熱容量が小さいこと、（４）熱電材料の溶湯との反応性が小さく熱電材料への不純物の混入がないこと等の条件が課せられる。
【０００７】
しかしながら、従来のディスクは、ディスクの径や質量が大きいため、高速回転しにくかった。また、ディスクの材料に金属やセラミックを用いているため、円盤の熱容量が大きく、熱電材料の溶湯の熱がディスクに奪われて溶湯がディスク上で凝固しやすかった。その結果、ディスクは更に重くなり、高速回転しにくく、ディスクの回転バランスが崩れ易くなっていた。また、粉末熱電材料の歩留まり低下の原因にもなっていた。
【０００８】
これらの点を改善するために、例えば高速回転を可能にし、熱容量を小さくするためにディスクを軽量にすると、ディスクが肉薄になるために機械的強度が失われてしまう。逆に、機械的強度を保持しようとすると、ディスクの慣性質量や熱容量が大きくなってしまう。また、ディスクの材料として金属材料を用いると、熱膨張係数が大きいために、熱応力により材料が歪んで、耐久性が悪くなる恐れがあった。特に、鉄やチタンを材料として用いると、熱電材料の溶湯と反応し易いため、熱電材料の組成が変わってしまう。このように、これまで上記の条件の全てを満たすようなディスクの材料は見つかっていなかった。
【０００９】
そこで、２種の材料を組み合わせてディスクを作製することも行われている。
例えば、特開平２−１４５７１０号公報には、金属円盤を断熱材で覆い、その回りを金属の保持具で保持した構造が記載されている。また、特開平７−３４１０２号公報には、軽量なチタン合金の表面にセラミック層を配設した構造が記載されている。しかしながら、上記従来の構造では、ディスクが比較的大きいため高速回転できず、最大回転速度は例えば１５，０００ｒｐｍ程度であり、最小粒径も１３０μｍ程度までしか小さくすることができなかった。また、溶湯の熱がディスクに奪われて溶湯が凝固し易く、粉末歩留まりが低下するという問題も残っていた。
【００１０】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、回転ディスク法により粉末熱電材料を作製する際に、軽量で強度が高く、熱膨張係数が小さく、材料との反応性が小さいという性質を持つ材料を用い、且つ、熱容量が小さくなるように設計されたディスクを用いることにより、溶湯の凝固を防止すると共に高速回転による粉末作製を可能とし、微粉末を高歩留まりで製造することができる粉末熱電材料の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る熱電材料製造装置は、所定の組成を有する原材料を混合し、加熱溶融するための容器と、加熱溶融された原材料の溶湯を注ぐための漏斗又は注湯口と、注がれた原材料の溶湯を回転により飛散させるためのディスク部と該ディスク部をモータに接続する接続部とが窒化珪素又は窒化珪素を含む材料で一体的に作製された回転ディスクとを具備する。ここで、上記回転ディスクは、窒化珪素を９０％以上含む材料で作製されても良い。
また、本発明に係る熱電材料の製造方法は、所定の組成を有する原材料を混合し、加熱溶融する工程と、加熱溶融された原材料の溶湯を、ディスク部と該ディスク部をモータに接続する接続部とが窒化珪素又は窒化珪素を含む材料で一体的に作製された回転ディスクに注ぐ工程と、注がれた原材料の溶湯を回転するディスク部により飛散させて微小球状化し、冷却して球状粉末熱電材料を作製する工程とを具備する。ここで、上記回転ディスクは、窒化珪素を９０％以上含む材料で作製されても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る粉末熱電材料製造装置を示す概観図である。この装置は、チャンバ８内に設置されたルツボ１と漏斗２と回転ディスク３とモータ４と粉末収集部７とを含んでいる。
【００１３】
また、図２は、本発明の一実施形態に係る粉末熱電材料製造方法を示すフローチャートである。以下、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態に係る粉末材料製造方法について説明する。
まず、所定の組成を有する原料を秤量して、ルツボ１内に封入する（ステップＳ１）。熱電材料の原材料としては、例えば、Ｖ族元素であるアンチモン（Ｓｂ）やビスマス（Ｂｉ）を、ＶＩ族元素であるセレン（Ｓｅ）やテルル（Ｔｅ）を用いる。Ｖ族とＶＩ族の固溶体は、六方晶構造を有するので、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｓｅの内、少なくとも２種類以上の元素が原料として用いられ、一般的には次のように表される。
（Ｂｉ_1-XＳｂ_X）₂（Ｔｅ_1-YＳｅ_Y）₃
ただし、０≦Ｘ，Ｙ≦１
具体的には、Ｐ型素子の材料として、テルル化ビスマス（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）とテルル化アンチモン（Ｓｂ₂Ｔｅ₃）との混晶系固溶体にＰ型のドーパントを添加して用いたり、Ｎ型素子の材料として、テルル化ビスマス（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）とセレン化ビスマス（Ｂｉ₂Ｓｅ₃）との混晶系固溶体にＮ型のドーパントを添加して用いることができる。
【００１４】
次に、ルツボ１に封入した原材料を、高周波コイルやヒータ等により加熱して溶融する（ステップＳ２）。さらに、溶融した原材料の溶湯を、漏斗２を介して回転ディスク３上に注ぐ（ステップＳ３）。回転ディスク３はモータ４に接続されていて、回転速度をコントロールされている。注がれた溶湯５は、回転ディスクにより飛散する（ステップＳ４）。飛散した溶湯６は、冷却され、チャンバ８内を落下し、粉末収集部７に集められる（ステップＳ５）。ここで、ステップＳ３における注ぎ方としては、溶湯を液滴状に滴下しても良く、注湯口から連続的に流しても良い。
【００１５】
図３は、このような球状粉末熱電材料を用いて作製された熱電モジュールを示す図である。図３に示すように、２枚のセラミック基板１１と１２との間で、Ｐ型素子（Ｐ型半導体）１３とＮ型素子（Ｎ型半導体）１４とを電極１５を介して接続することによりＰＮ素子対を形成し、さらに、複数のＰＮ素子対を直列に接続したものである。このようなＰＮ素子対の直列回路の一方の端のＮ型素子には電流導入端子（正極）１６が接続され、他方の端のＰ型素子には電流導入端子（負極）１７が接続されている。これらの電流導入端子１６、１７の間に電圧を印加することにより、電流導入端子（正極）１６からＰＮ素子対の直列回路を経て電流導入端子（負極）１７に向けて電流を流すと、セラミック基板１１側が冷却されてセラミック基板１２側が加熱される。その結果、図中の矢印に示すような熱の流れが発生する。
【００１６】
ここで、熱電素子の性能を示す性能指数Ｚは、ゼーベック係数α、電気伝導度σ、熱伝導率κを用いて次のように表される。
Ｚ＝α²σ／κ
熱電素子の性能は、性能指数Ｚが大きいほど良い。熱電素子は一般に焼結体で作製されるが、焼結体の結晶粒径を微細化することにより熱伝導率を低減することができる。従って本発明により作製した微細な粉末熱電材料を用いて焼結体を作製すれば、性能指数の大きい熱電素子を作製することができる。即ち、熱電素子の性能を向上させることができ、高性能な熱電素子の生産性を向上させることができる。
【００１７】
次に、本実施形態に係る球状粉末製造装置に用いられる回転ディスクの材料及び形状について説明する。図４の（ａ）は、本実施形態に係る球状粉末製造装置に用いられる回転ディスクの形状を示す断面図である。また、図４の（ｂ）は、比較例として用いた回転ディスクの形状を示す断面図である。
【００１８】
回転ディスクに注がれた溶湯がディスク上で凝固しないようにするためには、回転ディスクの熱容量を小さくする必要がある。そのためには、比熱の小さい材料を用いるか、又は、回転ディスク自体を軽量にすれば良い。また、回転速度を上げるためには直径も小さくしなければならない。そこで、厚みが薄くて直径の小さい回転ディスクを作製しようとすると、次には熱衝撃が問題になる。即ち、溶融してディスク上に落下してきた原料の溶湯がディスク上面に接触すると、接触した部分が急に高温になる。このとき、ディスクの下面は瞬間的には依然として元の温度のままなので、ディスク内部に温度勾配が生じる。温度勾配が大きいほど熱膨張による内部応力は大きく、破壊が起こりやすくなるため、上面と下面の距離が短い、即ち、肉薄なディスクであるほど破壊されやすいということになる。
【００１９】
この熱衝撃に対して耐久性を持たせ、且つ、肉薄なディスクを作製するためには、熱膨張係数の小さい材料を用いれば良い。或いは、応力に対して、それに耐えられるくらいの強度がある材料を用いても良い。
本発明においては、回転ディスクを作製するために、窒化珪素又はサイアロンを含む材料を用いる。窒化珪素又はサイアロンは、比熱は金属やセラミックと同程度であるが、熱膨張係数及び熱応力が共に小さい材料である。それに対して、曲げ強度は他の材料に比較しても小さくない。
【００２０】
サイアロンとは、窒化珪素に酸化アルミニウム及びその他の物質を混合したものであり、一般的にはβサイアロンとして次のように表される。
Ｓｉ_6-ZＮ_8-ZＡｌ_ZＯ_Z
ここで、Ｚの値は、０〜３．８の範囲が適している。本実施形態においては、Ｚ≒０．３４としたβサイアロンを用いた。この場合、Ｓｉ_6-ZＮ_8-Zの分子量は２６６．２であり、Ｓｉ_6-ZＮ_8-ZＡｌ_ZＯ_Zの分子量は２８０．８であるから、上記βサイアロン中に含まれる窒化珪素Ｓｉ₃Ｎ₄の割合は、
２６６．２÷２８０．８×１００＝９４．８
より９４．８％である。
【００２１】
また、本実施形態においては、上記βサイアロン約９０％に、酸化イットリウムＹ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂ガラス等を約１０％混合したものを回転ディスクの材料として用いた。従って、材料全体に対する窒化珪素Ｓｉ₃Ｎ₄の割合は、
９４．８×０．９＝８５．３
より、８５．３％となる。
【００２２】
図５は、窒化珪素又はサイアロンにより作製された本発明の実施例に係る回転ディスクと、従来の材料により作製された比較例の回転ディスクとを用いて粉末熱電材料を製造した比較実験の結果である。実施例１〜実施例４においては、図４の（ａ）の形状の回転ディスクを用いた。運転は、回転ディスクの直径が３０ｍｍ、回転数が６０，０００ｒｐｍ、溶湯温度７２０℃、溶解量２ｋｇという条件の下で行った。また、熱電材料の組成としては、Ｎ型素子の原料であるテルル化ビスマスとセレン化ビスマスとの混晶系固溶体Ｂｉ₂（Ｔｅ_0.9Ｓｅ_0.1）₃、及び、Ｐ型素子の原料であるテルル化ビスマスとテルル化アンチモンとの混晶系固溶体（Ｂｉ_0.25Ｓｂ_0.75）₂Ｔｅ₃の２種類について行った。
【００２３】
ここで、比較に用いた回転ディスクの材料及び形状について説明する。図５に示すとおり、比較例１〜６のチタン・アルミニウム・バナジウム系合金、窒化ホウ素、黒鉛のそれぞれについては、図４の（ａ）に示す形状の回転ディスクを作製して比較実験を行った。さらに、上記の実験結果から壊れやすかった窒化ホウ素及び黒鉛については、比較例７〜１０として、図４の（ｂ）に示すように窒化ホウ素又は黒鉛の円盤にチタンによるホルダを取り付けた。
【００２４】
図５を参照しながら、実験結果について検討する。
まず、比較例１及び２に注目すると、チタン・アルミニウム・バナジウム系合金により作製された回転ディスクは、熱膨張係数は大きい反面、曲げ強度も大きいので、熱衝撃及び高速回転には耐えられた。しかし、合金に含まれる成分が原料の溶湯との反応するため、回転ディスク表面に反応腐食が見られた。従って、製造された粉末は使用することができない。特に、比較例２については、激しく腐食され、ディスクが減ってしまった。
【００２５】
次に、比較例３〜６にあげた窒化ホウ素及び黒鉛に注目すると、これらの材料を用いた回転ディスクは、運転安定性が悪く、粉歩留まりが２〜３％と極めて低い。また、平均粒径は測定できなかった。これは、自身の熱膨張に対して曲げ強度が小さいため、溶湯が注がれるとすぐにディスクが破壊され、ほとんど粉末が製造されなかったからである。このため、窒化ホウ素及び黒鉛にチタンホルダを取り付けたものが、比較例７〜１０である。このようにすると、回転ディスクの機械的強度は保たれたが、同時に回転ディスクの質量及び熱容量が大きくなり、溶湯がディスク上で凝固し易くなってしまった。溶湯が凝固すると、比較例７〜１０に示すとおり振動が発生する等、運転安定性も低下し、粉末歩留まりも悪くなった。また、平均粒径は７０μｍ程度となった。
【００２６】
以上の比較例と比べて、窒化珪素及びサイアロンを材料とした実施例の回転ディスクは、熱膨張係数が小さく、曲げ強度は大きいため、ディスク厚みを薄くしても熱衝撃には十分に耐えられた。また、比重は金属等と比較しても大きくはないため、熱容量もそれほど大きくはならず、注がれた溶湯がディスク上で凝固することは少なかった。従って、長時間の運転安定性が保たれた。更に、小型、軽量な形状を保つことができたため、高速運転を保つことができ、粒径の小さな粉末を、歩留まり良く製造することができた。このようにして、窒化珪素やサイアロンを材料とした回転ディスクを用いることにより、良好な結果を得ることができた。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、回転ディスク法による粉末熱電材料の製造に、窒化珪素を含む材料により作製された回転ディスクを用いることにより、従来よりも平均粒径の小さい粉末熱電材料を歩留まり良く製造することができる。従って、熱電素子の性能や生産性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る粉末熱電材料製造装置を示す概観図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る粉末熱電材料製造方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態に係る製造方法により製造された粉末熱電材料を用いて作製された熱電モジュールの構造を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は本発明の一実施形態において用いた回転ディスクの断面形状を示す図であり、（ｂ）は比較実験で用いた回転ディスクの形状を示す図である。
【図５】各種の材料を用いて作製した回転ディスクにより粉末熱電材料を製造する実験を行った結果を示す図である。
【符号の説明】
１ ルツボ
２ 漏斗
３ 回転ディスク
４ モータ
５ 注がれた溶湯
６ 飛散した溶湯
７ 粉末収集部
８ チャンバ
１１、１２ セラミック基板
１３ Ｐ型素子（Ｐ型半導体）
１４ Ｎ型素子（Ｎ型半導体）
１５ 電極
１６ 電流導入端子（正極）
１７ 電流導入端子（負極）

Claims (6)

1. 所定の組成を有する原材料を混合し、加熱溶融するための容器と、
   加熱溶融された原材料の溶湯を注ぐための漏斗又は注湯口と、
   注がれた原材料の溶湯を回転により飛散させるためのディスク部と該ディスク部をモータに接続する接続部とが窒化珪素又は窒化珪素を含む材料で一体的に作製された回転ディスクと、
   を具備する熱電材料製造装置。
2. 前記回転ディスクが、窒化珪素を９０％以上含む材料で作製されていることを特徴とする請求項１記載の熱電材料製造装置。
3. 前記回転ディスクが、Ｚ≦３．８として化学式Ｓｉ _６−Ｚ Ｎ _８−Ｚ Ａｌ _Ｚ Ｏ _Ｚ によって表されるβサイアロンで作製されていることを特徴とする請求項１記載の熱電材料製造装置。
4. 所定の組成を有する原材料を混合し、加熱溶融する工程と、
   加熱溶融された原材料の溶湯を、ディスク部と該ディスク部をモータに接続する接続部とが窒化珪素又は窒化珪素を含む材料で一体的に作製された回転ディスクに注ぐ工程と、
   注がれた原材料の溶湯を回転する前記ディスク部により飛散させて微小球状化し、冷却して球状粉末熱電材料を作製する工程と、
   を具備する熱電材料の製造方法。
5. 前記回転ディスクが、窒化珪素を９０％以上含む材料で作製されていることを特徴とする請求項４記載の熱電材料の製造方法。
6. 前記回転ディスクが、Ｚ≦３．８として化学式Ｓｉ _６−Ｚ Ｎ _８−Ｚ Ａｌ _Ｚ Ｏ _Ｚ によって表されるβサイアロンで作製されていることを特徴とする請求項４記載の熱電材料の製造方法。

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